鋼橋面改性瀝青SMA10抗滑性能及衰變規律研究

王 民, 肖 麗, 王明明, 李開一, 韋宏年

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067; 2.重慶交通大學, 重慶 400074)

抗滑性能是瀝青磨耗層性能設計與安全性評價的重要指標[1-2]。隨著通車運營時間的增長,瀝青磨耗層抗滑性能會出現不同程度的衰減,特別是鋼橋面瀝青磨耗層,通常采用SMA10等細粒式類型混合料,混合料粒徑小、油膜厚,路表初始構造弱,整體抗滑能力有限,加之運營條件苛刻,且養護修復成本極高,導致行車安全隱患更大[3-5]。

從上世紀20年代末,英國開始對路面抗滑性能進行研究,發現交通事故率與路面構造深度和摩擦系數存在一定關系[6]。Akbari Ali等[7]通過室內試驗對水浴與溫度等不同加熱方式下抗滑性能變化規律進行了研究,結果發現抗滑性能與表面溫度負相關,而加熱方式對其變化影響不顯著。Wang Hui等[8]將路面拋光結果與集料級配特征曲線及現場交通量相結合,采用非線性冪函數建立了瀝青路面抗滑性能預測模型。Kane Malal等[9]對瀝青路面全生命周期內抗滑性能預測方法進行了研究,提出在動態摩擦系數模型中增加一個系數或權重因子。

20世紀后期,我國開始對路面抗滑性能進行研究,譚巍[10]基于集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀,分析得到集料互摻的壓碎值、磨耗值及磨光值與互摻比例之間均存在較好的線性相關性。龍承梁等[11]利用室內小型加速加載設備對3種不同集料、不同級配的瀝青路面抗滑性能進行了研究,結果表明集料類型顯著影響瀝青路面的抗滑性能及衰變趨勢,級配對構造深度的初值和終值均有較明顯影響。劉連國[12]基于自研的板式磨耗儀,分析了集料特性、級配對混合料抗滑性能的影響規律,發現粗集料磨光值為影響瀝青混合料抗滑耐久性的主要因素。黃偉[13]將溫度與濕度作為影響因素,對超薄磨耗層進行了構造深度試驗,發現溫度、濕度均對構造深度影響較大,其中溫度影響尤為明顯。楊振[14]從材料角度出發,基于大量室內試驗分析抗滑性能演變規律,提出基于混合料材料性能的路面抗滑性能使用壽命預測模型。

綜上所述,目前對瀝青路面抗滑性能檢測方法及預測等研究較多,對細粒式的改性瀝青SMA或鋼橋面鋪裝磨耗層材料的相關研究極少。為此,本文基于改性瀝青SMA10開展多因素條件下不同抗滑指標衰變規律研究,對認清鋼橋面瀝青鋪裝磨耗層的抗滑耐久性及養護決策具有重要意義。

1 原材料及混合料

1.1 原材料

SMA10結合料采用鋼橋面鋪裝常用的高彈改性瀝青,其技術性能指標見表1;粗、細集料選取峨眉玄武巖碎石,礦粉采用石灰巖礦粉,均滿足現行《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》(JTG/T 3364-02—2019)的相關要求。

表1 高彈改性瀝青主要性能指標

1.2 改性瀝青SMA10

根據現行《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004),采用馬歇爾體積設計法進行改性瀝青SMA10配合比設計,最佳油石比為6.3%,纖維用量為混合料總質量的0.3%,改性瀝青SMA10性能指標見表2。

表2 改性瀝青SMA10性能指標

2 試驗方法及結果

2.1 試驗方法

為了實現瀝青混合料加速磨耗,在調研基礎上選用招商局重慶交通科研設計院有限公司研發的“集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀”,進行混合料加速加載磨耗試驗[15],利用該設備及擺式摩擦儀測定摩擦系數,采用鋪砂法及數字圖像技術采集表面紋理構造參數。

1) 摩擦系數

采用動態摩擦系數與擺值評價摩擦系數。集料/瀝青混合料摩擦特性測試儀在加速磨耗過程中,可全過程記錄瀝青混合料試件在加速加載磨耗全過程中對磨具施加的正壓力及水平拉力,進而計算動態摩擦系數Dμ。采用擺式摩擦儀測試擺值,擺值BPN越大,路面的摩擦系數越大。

2) 表觀紋理特征

選用路面構造深度MTD和斷面平均構造深度MPD兩個指標評價表觀紋理特征。采用鋪砂法測量路面構造深度MTD,考慮加速磨耗試驗中試件尺寸較小,基于相同原理,采用改進的矩形鋪砂法對構造深度MTD進行測定。同時,采用激光掃描儀采集試件表面紋理構造信息,進行數據處理,得到斷面平均構造深度MPD。

2.2 試驗方案

采用改性瀝青SMA10,成型車轍標準尺寸試件,切割制作成為300 mm×150 mm×50 mm的長方體,供測試使用。

結合瀝青路面抗滑性能影響因素,考慮溫度條件與荷載水平2個主要因素,溫度依次取10 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃,荷載依次取50 kgf、75 kgf、100 kgf、150 kgf。

加速加載磨耗試驗過程:1) 對試件進行預磨1 h,荷重10 kgf,加載頻率(20±1)次/min。預磨是利用小荷載、短時間下的磨耗消除試件成型或其它人為因素對抗滑耐磨性能測試結果的影響,不計入正式測試中;2) 正式磨耗加載頻率(30±1)次/min,以1 h為周期,暫停試驗進行抗滑性能指標采集,總時長為4 h。

2.3 試驗結果

在荷載為100 kgf、不同溫度下,改性瀝青SMA10試件加速加載磨耗過程中的動態摩擦系數Dμ、擺值BPN、構造深度MTD及斷面平均構造深度MPD結果見表3。

在溫度為25 ℃、不同荷載下,試件加速加載磨耗過程中的動態摩擦系數Dμ、擺值BPN、構造深度MTD及斷面平均構造深度MPD結果見表4。

表3 不同溫度條件下抗滑指標試驗結果

表4 不同荷載條件下抗滑指標試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 Asymptotic分析模型

目前,瀝青路面抗滑性能模型主要分為經驗統計模型、力學模型、機器學習預估模型3大類。綜合考慮不同模型的有優缺點[16],本文選取Asymptotic模型對鋼橋面瀝青磨耗層抗滑性能的衰變過程進行擬合分析,見式(1)。

Y=AeBx+C

(1)

在該模型中,抗滑性能初值是指鋼橋面瀝青磨耗層在完成鋪筑時路表所具有的抗滑能力,在室內試驗中則是指試件板成型完成后所具有的抗滑性能;終值是指磨耗層經過車輛荷載反復作用后,其抗滑指標達到一個穩定的數值,室內試驗則是在磨耗4 h后試件表面所具有的抗滑性能;衰減速率是判斷磨耗層在使用過程中抗滑性能衰減快慢的一個指標;衰減幅度是描述磨耗試驗開始和結束時抗滑性能的差值與抗滑性能初值的比值。

3.2 數據處理方法

1) 數據歸一化處理方法

受拌和成型等因素影響,SMA10初始表面抗滑性能指標均存在一定差異[16],需對測試結果進行處理,將所有數據建立于統一的基準值下,以消除數據樣本取值和量綱差異之間的影響,更加直觀地表征抗滑性能的衰變規律。

采用最大值歸一化進行數據處理,該方法是將數據調整到規定的標準形式,即將每組數據中最大值除該組其它數據,可將組內最大值定義為1,其余均小于1,轉化函數如式(2)所示。

(2)

式中:X為原始數據;max為數據的最大值。

2) 衰變速率計算方法

改性瀝青SMA10試件在試驗荷載100 kgf、溫度25 ℃條件下,加速加載磨耗試驗的動態摩擦系數Dμ-磨耗次數變化曲線見圖1。為準確確定2階段衰變曲線的轉折點,首先對曲線方程函數求導,導數值越大,抗滑性能壽命衰減速率越快,相反,抗滑性能壽命衰減速率變慢。在作用次數范圍內,以導數值的極大值、極小值點繪制切線L1、切線L2,2條切線的交點N*可作為衰變速率的拐點,即路面抗滑性能由快速衰變(第1階段)向穩定衰變階段(第2階段)轉變的節點。

圖1 動態摩擦系數-磨耗次數變化曲線

在確定衰變速率的拐點N*后,以磨耗次數100次為間隔,求取每個點的衰減速率(導數值),繪制衰減速率圖。為了準確選取可表征2階段的衰變速率的代表值,第1階段計算衰減速率時取磨耗(0～N*)×50%次的曲線斜率平均值;第2階段取(7 200-N*)×50%～7 200次的區間斜率平均值。

3.3 溫度影響分析

1) 衰變規律分析

基于Asymptotic模型,對不同溫度條件下的不同抗滑性能指標-磨耗次數進行擬合,見圖2,其相關性R2均大于0.95。

從圖2可知:

(1) 隨著磨耗次數的增多,不同溫度條件下的動態摩擦系數Dμ、擺值BPN、構造深度MTD及斷面平均構造深度MPD均呈先快速下降、后緩慢降低2階段,這滿足抗滑性能衰減的大趨勢。說明在磨耗過程中,不同溫度條件下試件抗滑性能衰減速率均呈先快后慢的規律。

(a) 動態摩擦系數Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構造深度MTD

(d) 斷面平均構造深度MPD

(2) 隨著溫度的增加,瀝青軟化,具有一定的界面潤滑功能,摩擦系數降低,溫度較低時,受其影響較小。對于4項抗滑性能指標,歸一化處理后,10 ℃時摩擦系數及構造深度均最高,降幅最低。

(3) 溫度對動態摩擦系數Dμ與擺值BPN的影響保持了相同規律,其中60 ℃的抗滑性能指標未依次降低,出現異常,主因是在較高溫度及荷載水平下,加速、加載磨耗過程中試件表面出現了變形及掉粒,試驗過程中60 ℃掉粒明顯高于其它溫度。40 ℃時混合料強度較穩定,而瀝青膜開始軟化,加速、加載磨耗過程中早期脫落較快,使得后續整體降幅反而較小。

(4) 構造深度MTD與斷面平均構造深度MPD在不同溫度條件下的變化規律一致,由于高溫條件下試件表面掉粒較多,特別是粗骨料的脫落,使得表觀紋理更為粗糙,因而60 ℃時構造深度MTD與斷面平均構造深度MPD均高于25 ℃、40 ℃。

針對數據規律異常情況,進行了多次試驗驗證,均保持了相同的衰變規律。分析發現,在高溫對抗滑性能存在不利影響的情況下,表面掉粒引起構造變化,反而提高表面抗滑性能指標,但這只是對于加速加載(類似重載車輛急剎車)情況,常規荷載水平及60 ℃環境溫度下,SMA路面很少出現掉粒及變形。

2) 衰變速率分析

根據Asymptotic模型擬合曲線,可將抗滑性能衰變過程分為2個階段,分別為快速下降階段及緩慢穩定階段。

(1) 確定2階段拐點

對擬合方程求導,以導數的最小值與最大值時所對應的作用次數繪制切線,采用切線交點作為第1、第2階段衰變速率的拐點,同理計算得到各個曲線的拐點N*,見表5。

表5 不同溫度條件衰變速率拐點次數

(2) 計算2階段衰減速率

以100次為間隔點,計算不同溫度條件下的衰減速率,抗滑性能指標衰減速率-磨耗次數關系曲線見圖3。

確定拐點N*后,以拐點N*為分界點,取(0～N*)×50%區間斜率平均值作為第1階段的衰變速率,取(7 200-N*)×50%～7 200區間斜率平均值作為第2階段的衰變速率,計算結果見圖4。

由表5及圖3、圖4可知:

(1) 無論第1階段還是第2階段,動態摩擦系數Dμ與擺值BPN,構造深度MTD與斷面平均構造深度MPD,其衰變規律基本一致。

(a) 動態摩擦系數Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構造深度MTD

(d) 斷面平均構造深度MPD

(a) 第1階段衰減速率

(b) 第2階段衰減速率

(2) 動態摩擦系數Dμ與擺值BPN在第1階段中隨溫度的升高,衰變速率上升,但在60 ℃時出現異常,主因是在高溫及高強荷載條件下,瀝青混合料試件表面出現了變形與掉粒的情況;在第2階段中,衰減速率與溫度呈負相關的關系,主因是第1階段中受溫度影響,在磨耗過程中瀝青膜脫落較快,使得在后續的磨耗過程中衰變幅度變小。

(3) 構造深度MTD與斷面平均構造深度MPD在2階段中衰減速率隨溫度的變化與第1階段相反,第1階段中兩者與溫度成正相關,第2階段中兩者與溫度成負相關。但對2階段衰減速率進行累加,衰變速率隨溫度上升而增大,說明衰變速率整體隨溫度上升而增快。由于溫度影響顯著,溫度越高,瀝青膜脫落越快,導致前期衰變速率大。相較于溫度較低時,瀝青膜脫落緩慢,在第1階段脫落或損耗有限,第2階段溫度越小、衰變速率越大。

3.4 荷載影響分析

1) 衰變規律分析

基于Asymptotic模型,對不同荷載條件下的抗滑性能指標-磨耗次數進行擬合,結果見圖5,其相關性R2均大于0.95。

由圖5可知:隨著磨耗次數的增多,不同荷載下的動態摩擦系數Dμ、擺值BPN、構造深度MTD及斷面平均構造深度MPD均呈先快速下降,后緩慢降低2階段,這滿足抗滑性能衰減的大趨勢,也說明在磨耗過程中,在不同荷載水平下的試件抗滑性能衰減速率均呈先快后慢的規律。

(a) 動態摩擦系數Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構造深度MTD

(d) 斷面平均構造深度MPD

2) 衰變速率分析

采用3.3節相同方法,根據Asymptotic模型擬合曲線,將抗滑性能衰變過程分為快速下降和緩慢穩定2個階段,并確定2階段拐點次數,見表6,繪制抗滑性能指標衰變速率-磨耗次數關系曲線,見圖6,并以拐點為界限,計算2階段衰變速率,見圖7。

表6 不同荷載條件衰變速率拐點次數

由表6及圖6、圖7可知:

(1) 動態摩擦系數Dμ與擺值BPN,構造深度MTD與斷面平均構造深度MPD的衰減速率均隨荷載的變化趨勢類似,表明基于荷載條件,采用摩擦系數與路面紋理對抗滑性能分析一致。

(2) 隨著荷載水平的增大,SMA10抗滑性能指標衰變提前到達拐點,進入第2階段,其衰變速率在第1階段時,荷載水平越大,衰減速率也越大。

(3) 磨耗過程進入第2階段,衰變速率逐漸減少,與荷載呈負相關的關系,即荷載越大,衰減速率越小。主因是隨著磨耗次數的增加,磨耗層抗滑性能逐漸到達一個相對穩定的恒定值,只隨季節發生周期性的變化。若前期荷載較大,則衰減越快,達到這一恒定值的時間也會提前,后期衰減就較為緩慢。

(a) 動態摩擦系數Dμ

(b) 擺值BPN

(c) 構造深度MTD

(d) 斷面平均構造深度MPD

(a) 第1階段衰減速率

(b) 第2階段衰減速率

4 結論

1) 選取Asymptotic模型可對改性瀝青SMA10抗滑性能與磨耗次數之間的關系進行準確表征,其相關性R2均大于0.95。隨著磨耗次數增大,4項抗滑性能評價指標均呈現先快后慢的衰減趨勢,衰變規律具有較強的一致性。

2) 在10 ℃～25 ℃,改性瀝青SMA10磨耗過程中,在第1階段,抗滑性能衰減速率隨溫度升高而增大;在第2階段,抗滑性能衰減速率隨溫度的升高減小,在60 ℃時出現了衰減速率異常的情況。

3) 隨著荷載水平的增大,瀝青磨耗層抗滑性能評價指標衰變提前到達拐點。第1階段,荷載越大,衰減速率越大;第2階段,荷載越大,衰減速率越慢。

4) 加速加載磨耗過程中為動態滑動摩擦,遠高于實際輪胎-路面之間的摩擦系數,因而加速磨耗過程對試件損耗較大,高溫條件下其適用性欠佳。